旋飞毁伤盘对杆式穿甲弹的毁伤效应分析*

付 超，钱建平，牛公杰

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

在主动防护系统的研究中，如何防御、拦截动能穿甲弹，主要是尾翼稳定杆式脱壳穿甲弹，是一个特殊的领域。与反坦克导弹和火箭弹不同，动能穿甲弹飞行速度很高，大多采用贫铀或钨合金材料制造，依靠目前主动防护系统的对抗弹药爆炸形成的破片不能有效对付它们[1]。当前各国正在研究的对抗技术包括：利用爆炸冲击波冲击穿甲弹体、发射大质量飞盘撞击穿甲弹体等[2]。文中提出了一种旋飞毁伤盘，通过迎面撞击和旋转侧击两种方式对杆式穿甲弹进行拦截、毁伤。

1 旋飞毁伤盘的作用方式

旋飞毁伤盘由本体圆盘和安装在本体上的8根刀杆组成，如图1所示，通过高速撞击杆式穿甲弹使其折弯和损伤，并偏转其飞行方向，从而降低其侵彻威力。

旋飞毁伤盘旋与杆式穿甲弹遭遇时主要有以下两种形式：一是旋飞毁伤盘的本体圆盘与杆式穿甲弹迎面撞击，如图2(a)所示;二是杆式穿甲弹从旋飞毁伤盘刀杆间飞过，高速旋转的飞盘利用刀杆对杆式穿甲弹进行旋转侧击，如图2(b)所示。

图1 旋飞毁伤盘

2 影响杆式穿甲弹威力的因素

2.1 着靶速度

杆式穿甲弹的侵彻威力与着靶速度密切相关。图3所示为钢弹和钨合金弹对半无限钢靶碰击的相对侵彻深度L/l与碰击速度v0/c(c=5950m/s为钢的弹性波速)关系[3]。

图2 旋飞毁伤盘对杆式穿甲弹的作用方式

从图3看出，无论是钢弹还是钨弹，侵彻深度与着靶速度的关系曲线基本为拉长的S型，曲线在1000m/s＜v0＜2000m/s范围内变化较陡。目前杆式穿甲弹的着靶速度约为1500～1700m/s，正处于曲线的变化剧烈区，这表明即使杆式穿甲弹的着靶速度有少量降低，其侵彻深度也将会降低许多。

图3 钢、钨弹在半无限靶中的侵彻深度

2.2 着靶攻角

着靶攻角是影响杆式穿甲弹侵彻深度的另一个重要因素。图4是直径d=6.5mm、长细比λ=30的钨合金杆弹以1500m/s的着靶速度侵彻钢靶时，侵彻深度随着靶攻角变化的曲线[3]。

从图4中看出，当攻角δ＞2°之后，侵彻深度随攻角的增大而显著下降。故通过撞击杆式穿甲弹，增大其着靶时的攻角，可以降低其侵彻深度。

图4 钨合金杆λ=30有攻角侵彻钢靶

2.3 其他

若杆式穿甲弹的弹体在外力作用下发生了弯曲变形或者损伤，都将恶化弹体在侵彻过程中的受力情况，降低其侵彻深度。

3 旋飞毁伤盘对穿甲弹的毁伤效应

假设旋飞毁伤盘驱动装置安装于坦克顶部两侧，需要在距坦克10m外拦截杆式穿甲弹，则旋飞毁伤盘与杆式穿甲弹的遭遇夹角约为12°。建立在此遭遇夹角时，旋飞毁伤盘对杆式穿甲弹进行迎面撞击和旋转侧击的LS-DYNA有限元仿真模型，并在模型中建立一个半无限靶，以评估杆式穿甲弹在遭遇旋飞毁伤盘作用后剩余的侵彻能力。

3.1 有限元模型

杆式穿甲弹弹芯直径24mm，杆长700mm，材料为钨合金。旋飞毁伤盘直径100mm，厚度30mm，刀杆长×宽×高 =60mm×20mm×20mm，飞盘质量3.5kg，材料为 35CrMnSi。靶板模型直径 300mm，厚度1000mm，材料为装甲钢。

表1 材料参数

采用SOLID164八节点单元对旋飞毁伤盘、杆式穿甲弹及装甲钢靶板划分网格，网格边长为2mm，并将靶板中心直径100mm范围内的网格加密，网格边长为1mm。设置靶板底面与圆周面上的网格节点为透射边界，以模拟出半无限靶的状态。采取拉格朗日算法进行有限元计算，将旋飞毁伤盘和杆式穿甲弹之间、杆式穿甲弹与靶板之间均定义为面－面侵蚀接触。由于撞击和侵彻过程为大变形、高应变率的问题，故选用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程，旋飞毁伤盘、杆式穿甲弹及靶板的材料参数见表 1[4]。

3.2 毁伤结果及效应分析

为了研究旋飞毁伤盘的速度、转速对拦截杆式穿甲弹效果的影响，按以下几种情况进行LS-DYNA有限元仿真：①迎面撞击方式下，旋飞毁伤盘的转速为15000r/min，速度分别取 300m/s、400m/s、500m/s;②旋转侧击方式下，旋飞毁伤盘的速度为400m/s，转速分别取 10000r/min、15000r/min、20000r/min。杆式穿甲弹的速度均为1500m/s。

图5是利用LS-DYNA有限元仿真得到的旋飞毁伤盘与杆式穿甲弹撞击过程中0.15ms时刻的应力状态云图。迎面正碰时，杆式穿甲弹从旋飞毁伤盘的本体中间侵彻穿过，在巨大的迎面撞击力下发生弯曲变形，从图5中还可以看到弹体被旋飞毁伤盘撞击时产生了飞散的小碎片。旋转侧击时，旋飞毁伤盘主要是依靠高速旋转的刀杆撞击杆式穿甲弹，造成杆式穿甲弹的弯曲变形和偏斜。

图5 旋飞毁伤盘与杆式穿甲弹撞击各时刻应力状态

3.2.1 折弯、损伤穿甲弹

细长的杆式穿甲弹在旋飞毁伤盘的迎面撞击或刀杆旋转侧击的作用下很容易被折弯，图6是通过LS-DYNA有限元仿真计算的杆式穿甲弹变形结果。从图中可以看出，杆式穿甲弹在遭遇旋飞毁伤盘的迎面撞击或旋转侧击后都发生了不同程度的弯曲变形，并且弹体头部也均被旋飞毁伤盘撞断。

图6 杆式穿甲弹遭遇撞击后的弹体塑性变形

对比几种不同撞击条件下的结果，还能发现旋飞毁伤盘的速度和转速越高，杆式穿甲弹的弯曲变形越大。发生弯曲变形、头部损伤的杆式穿甲弹气动力及飞行稳定性都将受到影响，在侵彻过程中也会恶化受力状态。

3.2.2 造成脱靶

旋飞毁伤盘的迎面撞击和旋转侧击，不仅使杆式穿甲弹弯曲变形，还造成穿甲弹发生一定角度偏转，图7是杆式穿甲弹在撞击过程中的轴向速度及偏转速度变化曲线，表2中列出了杆式穿甲弹在被撞击后的偏转角度。

图7 杆式穿甲弹碰撞过程中轴向速度、偏转速度的变化

从图7中可以看出，经过旋飞毁伤盘的迎面撞击或旋转侧击，杆式穿甲弹的轴向速度均有不同程度下降，并获得一定的偏转速度。旋飞毁伤盘的速度越高，杆式穿甲弹的轴向速度下降越大;旋飞毁伤盘的转速越高，杆式穿甲弹的偏转速度越大。旋飞毁伤盘迎面撞击时，旋飞毁伤盘速度为300m/s时对杆式穿甲弹的影响较小，使其轴向速度降低了约60m/s，偏转速度达到80m/s左右;旋飞毁伤盘速度为500m/s时对杆式穿甲弹的影响较大，使其轴向速度降低了约150m/s，偏转速度达到160m/s左右。在旋转侧击作用下，旋飞毁伤盘转速为10000r/min时对杆式穿甲弹的影响较小，使其轴向速度降低了约25m/s，偏转速度达到75m/s左右;旋飞毁伤盘转速为20000r/min时对杆式穿甲弹的影响较大，使其轴向速度降低了约75m/s，偏转速度达到120m/s左右。

表2 杆式穿甲弹撞击后的偏转角度

按照杆式穿甲弹在距坦克10m处与旋飞毁伤盘发生碰撞，假设碰撞后的杆式穿甲弹按撞击后的轴向速度、偏转速度及偏转角度，稳定的直线飞向坦克。那么被旋飞毁伤盘迎面碰撞后的杆式穿甲弹达到坦克时最小偏转位移达到0.6m，最大能达到1.2m;被旋飞毁伤盘旋转侧击后的杆式穿甲弹达到坦克时最小偏转位移达到0.5m，最大能达到0.9m。若再考虑杆式穿甲弹弯曲变形后的气动力、飞行稳定性等性能指标大大降低的影响，那么被旋飞毁伤盘撞击后的杆式穿甲弹脱靶的概率将更大。

3.2.3 降低侵彻威力

利用LS-DYNA有限元软件仿真计算了杆式穿甲弹在遭遇旋飞毁伤盘迎面撞击和旋转侧击后侵彻半无限装甲钢靶板的情况如图8所示。

图8中的半剖视图(a)是杆式穿甲弹在不受到任何干扰、撞击而直接垂直侵彻装甲钢靶板结束时刻的应力分布云图。在此情况下，杆式穿甲弹的侵彻深度约570mm，弹坑与入侵面基本垂直，这些均与实际情况相符。半剖视图(b)是杆式穿甲弹被旋飞毁伤盘以400m/s的速度和15000r/min的转速迎面撞击后再侵彻装甲钢靶板结束时刻的应力分布云图。在此情况下，侵彻深度明显降低，深度约为280mm，并且坑道倾斜明显，形状不规则，坑道口部直径要大于弹丸直径。半剖视图(c)是杆式穿甲弹被旋飞毁伤盘以400m/s的速度和15000r/min的转速旋转侧击后再侵彻装甲钢靶板结束时刻的应力分布云图。在此情况下，侵彻深度也降低了不少，深度约为410mm，弹坑有约5°的倾斜。因此，可说明旋飞毁伤盘的迎面撞击和旋转侧击都将使得杆式穿甲弹的侵彻能力大大降低。

图8 穿甲弹在不同情况下对半无限靶板的侵彻

4 结论

通过分析旋飞毁伤盘对杆式穿甲弹的作用方式，并对旋飞毁伤盘以不同速度、转速撞击杆式穿甲弹的过程进行有限元仿真计算分析，可得出以下结论：

1)旋飞毁伤盘能造成杆式穿甲弹在一定程度上脱靶，旋飞毁伤盘的速度、转速越高，造成杆式穿甲弹的偏转越大，撞击后的杆式穿甲弹脱靶概率越大;

2)旋飞毁伤盘的撞击会造成杆式穿甲弹弯曲变形、弹头损伤等，并使杆式穿甲弹发生偏转，增大着靶攻角，这些影响都能有效降低杆式穿甲弹的侵彻威力;

3)考虑到驱动装置膛线的强度及导旋自锁角，旋飞毁伤盘在较低线速度时不能达到很高的转速，设计时可选择旋飞毁伤盘的线速度为400m/s、转速为15000r/min，这样既能满足驱动要求，又能保证对杆式穿甲弹有较好的拦截、毁伤效果。

[1]张卫东.国外装甲车辆主动防护系统发展[J].国外坦克，2008(2)：7－14.

[2]王庆明.战车的保护神——主动防护系统[J].现代军事，2004(3)：38－40.

[3]赵国志.穿甲工程力学[M].北京：兵器工业出版社，1992.

[4]时党勇，李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5]邓启斌，夏智勋，王成学，等.电磁发射拦截系统拦截效应仿真[J].弹道学报，2008，20(3)：49－52.